Erinnern Sie sich noch an die Zeit, als das Internet 56 KB groß war und wir eine halbe Stunde brauchten, um einen Song herunterzuladen? Dann kam das Breitband und alles änderte sich. Derselbe epochale Sprung steht in der Welt der Batterien bevor, dank eines kristallinen Materials namens Niob-Wolframoxid (NbWO), das chinesische Wissenschaftler „dazu gebracht“ haben, Lithiumionen mit nie zuvor erreichter Geschwindigkeit fließen zu lassen.
Die Entdeckung, Veröffentlicht auf Nature Communications veröffentlicht , enthüllt etwas Ungewöhnliches: Wenn Batterien schnell aufgeladen werden, wird die atomare Struktur des Materials ungeordneter, und dies (überraschenderweise) beschleunigt die Bewegung der Ionen, anstatt sie zu verlangsamen. Eine vollständige Aufladung in 45 Sekunden ist keine Science-Fiction mehr.
Der Wettlauf gegen die Zeit der herkömmlichen Batterien
Die Ladegeschwindigkeit von Batterien hängt grundsätzlich von der Fähigkeit der Lithiumionen ab, sich durch Materialien zu bewegen. In herkömmlichen Batterienmüssen diese mikroskopisch kleinen Reisenden durch ein Labyrinth widerstandsfähiger kristalliner Strukturen navigieren, was zu einem unangenehmen Engpass führt. Stellen Sie sich eine Autobahn während der Hauptverkehrszeit vor, auf der Tausende Pendler festsitzen und nur im Schneckentempo vorankommen.
Diese Verlangsamung führt zu quälend langen Aufladezeiten und begrenzt die Geschwindigkeit, mit der wir Energie speichern können, drastisch. Solange Ionen in diesem Atomverkehr gefangen bleiben, Batterie Das vollständige Aufladen dauert weiterhin Stunden. Wir alle kennen diese Situation: Wir müssen ängstlich zusehen, wie der Ladestand unseres Smartphones mit quälender Langsamkeit steigt.
Dafür die Niob, mit seiner Fähigkeit, molekulare Autobahnen dort zu schaffen, wo vorher nur gewundene Pfade waren, gewinnt an Bedeutung.
Niob: Das Paradox der atomaren Unordnung
Mit Hilfe moderner Elektronenmikroskope Yaqing Guo e Yifei Yuan dell 'Wenzhou-Universität Sie beobachteten etwas Überraschendes: Die kristalline Struktur des Oxids Niob und Wolfram (NbWO) reagiert unterschiedlich auf unterschiedliche Laderaten. Und hier kommt, wie ich erwartet habe, der interessanteste Teil: beim langsamen Laden ordnen sich die Ionen geordnet an, was zu Strukturverzerrungen führt; Bei hohen Nachladegeschwindigkeiten erfolgt die Verteilung jedoch eher zufällig.
Wir haben fortschrittliche In-situ-Elektronenmikroskopie mit hochauflösender atomarer Bildgebung kombiniert und konnten dadurch tief in die Materialwissenschaft auf extrem kleinen Skalen einblicken, was lange Zeit unklar blieb.
diese unordentlich reduziert Gitterverzerrungen und verbessert die Lithiumionenmobilität. Widersprüchlich, oder? Es ist, als sei eine sich frei bewegende Menschenmenge schneller als eine, die strikt den Fahrspuren folgt.
Atomtechnik trifft auf maschinelles Lernen
Um das Material zu optimieren, erkannten die Forscher dessen Haupteinschränkung: Lithiumionen dringen bevorzugt durch bestimmte „Flächen“ der Kristallstruktur ein. Mithilfe der Maschinelles Lernen Um fast 84.000 potenzielle Materialien zu analysieren, wählten sie Reduziertes Graphenoxid als Oberflächenbeschichtung, um Lithiumionen zu diesen bevorzugten Eintrittspunkten zu leiten.
Das Ergebnis? Das modifizierte Material, bezeichnet als rGO/Nb₁₆W₅O₅₅, auf 80 °C aufgeladen, erreicht 116 Milliamperestunden pro Gramm in nur 45 Sekunden. Um Ihnen eine Vorstellung zu geben: Handelsübliche Lithium-Ionen-Akkus werden normalerweise mit Raten zwischen 1C und 2C aufgeladen, sodass für eine vollständige Aufladung 30 bis 60 Minuten erforderlich sind.
In Prototypentests wurden Batterien aus diesem Material Sie behielten nach 77 Schnellladezyklen 500 % ihrer ursprünglichen Kapazität. Es ist nicht nur eine Frage der Geschwindigkeit: Das Material hat eine hohe Energiedichte gezeigt, liefert bis zu 406 Wattstunden pro Kilogramm.
Natürlich sind der Kommerzialisierung noch erhebliche technische Hürden zu überwinden. Beispielsweise verringern sich die Vorteile, wenn die Elektrodendicke den Spezifikationen handelsüblicher Batterien entspricht. Aber der Weg ist vorgegeben: Durch die Entwicklung im atomaren Maßstab können bestehende Einschränkungen der Ladegeschwindigkeit überwunden werden. Ein Ansatz, der nicht nur für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen gilt, sondern für jede Technologie, die eine schnelle Speicherung und Freigabe von Energie erfordert.
Und wenn man bedenkt, dass alles mit der Beobachtung des Verhaltens von Atomen in einem Niobkristall begann. Aus dem „Chaos“ entstehen anscheinend die besten Dinge!
